Fysiker från University of Chicago som arbetar inom det framväxande området för experimentell virveldynamik har, med oväntad hjälp från en Sharpie -markör, uppnådde de första mätningarna av en svårfångad men grundläggande egenskap hos vätskeflöde.

Tills nu, det hade inte funnits något sätt i laboratoriet att mäta den totala heliciteten, eller måttet på när två virvelringar sammanflätas. I deras experiment, UChicago-teamet skapade virvlar med tunn kärna-sådana som finns i flygvågor och insektsflygning-genom att producera hydrofoils med en 3D-skrivare.

Som tur skulle ha det, den röda Sharpie -markören som används för att märka hydrofoils innehåller rodaminfärgämne, som fluorescerade när de belystes av laserljus. När hydrofoilbåtarna placerades i en vattentank, färgämnet började sprida sig, och när hydrofoilen var snabbare, färgämnet sugs in i kärnan i den nyskapade virveln-en process som registrerats via höghastighets laserskanningstomografi.

De nya fynden, publicerad 3 augusti i Vetenskap , är de första som visar att helicitet håller ett konstant värde under flödet av viskösa vätskor. Vortexdynamik har viktiga tillämpningar i vardagen; meteorologer, till exempel, se helicitet som en faktor som bidrar till bildandet av supercellstornados.

"Det faktum att vi har några mätningar för första gången som visar helicitet kan bevaras, särskilt i närvaro av stretching, kan översätta direkt till dessa insatser, "sade William Irvine, docent i fysik, som publicerade resultaten tillsammans med fyra medförfattare.

Vrider och vänder sig

I sin senaste forskning, fysikerna studerade tre relaterade former av helicitet:vridning, länka och vrida. De tre formerna är helt enkelt olika sätt att beskriva geometriskt relaterade former som har vridits eller sträckts. Varje virvelrör kan visualiseras som ett knippe filament, liknande de som är bundna ihop i ett vriden rep.

"Om du tar ett rep eller en telefonsladd och spolar upp det, då skulle vi säga att mitten av detta rep eller telefonsladd vrider sig, "Sade Irvine." Och om vi sedan tog den här grejen som vi rullade ihop och drog den rakt, du skulle se vridning längs dess längd. "

Att simulera helicitet i dessa flöden har varit svårt på grund av de vitt skilda men ändå sammankopplade skalorna där de verkar. Tidigare arbete hade till stor del varit teoretiskt och involverat hypotetiska, enklare vätskor helt saknar viskositet. Beräkningar visade att helicitet bevarades i dessa hypotetiska vätskor, men viskositeten framkom som en betydande faktor i flödet av faktiska vätskor.

"Ett av kärnproblemen är att du måste prova eller mäta funktioner i flödet som finns på mycket olika längdskalor, "sa Martin Scheeler, studiens huvudförfattare, som nyligen avslutade sin doktorsexamen i fysik vid UChicago. Vågen sträcker sig från diametern på en virvel (cirka 30 centimeter eller en fot) till diametern på dess tunna kärna (ungefär en millimeter eller tre hundradelar av en tum).

"Du måste mäta flödet inuti kärnan såväl som den totala formutvecklingen för den virveln, "Irvine sa." Det är en ganska stor åtskillnad. "Han karakteriserade Scheelers arbete med att övervinna de experimentella utmaningarna-samtidigt spåra flödets fina detaljer samtidigt som han mätte den kritiska dynamiken i större skala-som" en tour de force ".

"Det är det galnaste som fungerar"

Irvines grupp hade tidigare använt bubblor för att bedriva banbrytande forskning om virvlans dynamik i sina vattentanksexperiment. Helicitetsmätningarna, dock, krävde något annat, som levererades serendipitously genom Sharpie.

Färg har länge använts i virvelexperiment, men mindre exakt. I tidigare experiment, färgämnet placerades diffust i tanken, och sedan skulle virvlarna omsluta dem. Men Sharpie gav en möjlighet att exakt placera färgämnet i mitten av virvlarna, som Scheeler omsorgsfullt målade prickar på hela hydrofoilens längd.

"Vi hade inte riktigt insett att det var en möjlighet förrän vi såg färgämne blöda från hydrofoil, sa Scheeler, som uppskattade kreativiteten och friheten i att utforma experiment för ett framväxande fysikområde.

"Det finns verkligen ingen lekbok, och det är riktigt spännande, "sa han." Du får prova på alla möjliga olika saker, och ibland är det det galnaste som fungerar. "